Schneller kristallisieren mit ungleichen Kugeln

  • 15. February 2016

Kristallbildung in Kolloiden beschleunigt sich, wenn leichte Größenunterschiede vorliegen.

Winzig kleine, in Wasser verteilte Plastikkügelchen ordnen sich schneller in einer Kristallstruktur an, wenn sie von leicht unterschiedlicher Größe sind, als gleich große Kugeln. Dieses überraschende Phänomen haben Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) bei der Untersuchung von Kolloiden entdeckt. Kolloide sind Teilchen von weniger als einem tausendstel Millimeter Größe, die als Schwebstoffe fein verteilt in einem Träger­medium schwimmen. Ein klassisches Beispiel ist die Milch mit ihren kleinen Fetttröpfchen, die im Wasser schweben.

Abb.: Typische kolloidale Suspensionen unterschiedlicher Konzentration aus rund 68 Nanometer großen, negativ geladenen Kügelchen aus Polystyrol. Die Konzentration nimmt von links nach rechts zu. (Bild: KOMET336, JGU)

Abb.: Typische kolloidale Suspensionen unterschiedlicher Konzentration aus rund 68 Nanometer großen, negativ geladenen Kügelchen aus Polystyrol. Die Konzentration nimmt von links nach rechts zu. (Bild: KOMET336, JGU)

Die Arbeitsgruppe von Thomas Palberg am Institut für Physik beobachtet die Kristallbildung von solchen in Wasser schwebenden Plastikkügelchen mit Videomikroskopie oder anderen optischen Methoden. Ein besonders beliebtes Modellsystem sind elektrostatisch negativ geladene Kugeln in salzarmem oder destilliertem Wasser. Bereits mit bloßem Auge lässt sich erkennen, wie die Probe bei zunehmender Konzentration der Kügelchen zunächst stark milchig wird und schließlich kleine Kristalle bildet, die in allen Regen­bogen­farben schillern. Unter dem Mikroskop ist zu sehen, dass sich die Schwebeteilchen zu einer regelmäßigen Gitterstruktur angeordnet haben, wie bei einem Schmuckopal.

Bei dem jetzigen Versuch haben die Physiker Suspensionen mit Kügelchen verschiedener Größe und Größen­verteilung untersucht. Erstaunlicher­weise konnten sie feststellen, dass sich die Kristall­bildung durch leichte Größen­unterschiede der Kugeln kontinuierlich beschleunigte – und zwar bis zu einem Größen­unterschied von acht Prozent. Größere Abweichungen werden nicht toleriert, stattdessen geht die Geschwindig­keit der Kristallisation dann drastisch zurück, weil mehr Zeit für die Sortierung der Kugeln in Kristalle aus vorwiegend großen oder vorwiegend kleinen Kugeln nötig wird. „Wir waren über diesen Effekt sehr überrascht, weil wir intuitiv erwartet hätten, dass gleich große Kugeln schneller kristallisieren“, sagt Thomas Palberg zu dem Ergebnis. „Aber offenbar lassen sich ungleich große Kugeln schneller in ein Gitter packen, auch wenn es am Ende vielleicht nicht so schön aussieht.“

Der physikalische Grund für die unerwartet schnelle Kristallisation ist eine geringere Oberflächen­spannung zwischen dem Kristall und seiner umgebenden Schmelze. „Wir können zeigen, dass die Ober­flächen­spannung eng gekoppelt ist an die Differenz zwischen dem Ausmaß der Unordnung in der Schmelze und dem Ausmaß der Unordnung im festen Zustand“, ergänzt der Physiker. „Natürlich ist eine Schmelze viel ungeordneter als ein Kristall. Aber gerade deswegen ist die perfekte Ordnung des Kristalls leicht durch ein paar Kügelchen abweichender Größe zu stören, während man in der Schmelze die Zunahme der Unordnung kaum bemerken würde. Der Unterschied der Unordnung und damit die Ober­­flächen­­spannung nehmen also ab, wenn leicht unterschiedliche Kugeln verwendet werden. In der Folge wird dann die Kristall­­bildung wesentlich einfacher und schneller.“ Dies könnte auch erklären, weshalb im Computer simulierte, gleichmäßig große Kugeln viel zu langsam kristallisieren.

JGU / DE

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